ETD

• Distributed sensor network
• Edge and embedded computing
• Embedded web server
• Industrial IoT
• ISO real-time vibration monitoring
• MEMS IMUs
• MQTT/Sparkplug B
• STM32 & Raspberry Pi
• Yacht comfort assessment

Vibration-related comfort is an increasingly important topic in luxury yachts, as classification societies such as American Bureau of Ships, Lloyd's Register, and Registro Italiano Navale define acceptance criteria based on frequency-weighted acceleration according to ISO standards. Current assessment practices mainly rely on post-processing the experimentally acquired data or on finite element simulations. While both methods and existing instruments are effective for design validation and certification, they cannot support continuous, real-time monitoring integrated with the onboard infrastructure. This thesis addresses this gap by presenting the design, implementation, and experimental validation of a distributed sensor network for real-time vibration monitoring and comfort assessment, developed in collaboration with SailADV.
The topic therefore spans different research and engineering communities: ship habitability and comfort assessment; metrological characterization of Micro-Electro-Mechanical Systems accelerometers; edge and embedded computing and, finally, web-based presentation and Industrial IoT integration.
The system consists of wired star architecture in which multiple compact acquisition nodes, distributed across the vessel, stream raw multi-axis vibration data to a single central elaboration node. This architecture was selected after investigation of alternative architectures and a review of the state of the art, as it proved to be a promising candidate in terms of flexibility, costs and resources trade-off.
Each acquisition, preliminarily designed in previous work, node is built around a microcontroller interfacing with two inertial measurement units for separate comfort monitoring and impact detection. During this work, the original dual-sensor design was simplified by exploiting the IMU’s dual-channel output capability, which allows the same analog samples to be digitized simultaneously with two different resolutions and full-scale ranges. The resulting channels are merged into a single extended-resolution data stream, to be transmitted to the central node for logging and impact analysis. The firmware was completely rewritten leveraging manufacturer-supported libraries while preserving the previously validated algorithms.
The IMU's frequency response was experimentally characterized using an electrodynamic shaker and logarithmic sine sweeps at constant amplitudes. The measured response, extracted via Hilbert-transform-based post-processing, is compatible with the integrated anti-aliasing filter and shows a flat band up to about twice the upper limit of the band of interest. This validates the chosen output data rate, which also accommodates broadband impact measurements.
A low-overhead protocol with integrity checking was developed on top of the RS-422 physical layer. The latter is selected due to simplicity, sufficient throughput and distance capability, robustness to electromagnetic interference and shielding of metallic walls
The elaboration node runs multithreaded C software on a Linux-based single board computer. A dedicated thread for each acquisition node handles measurements collection, digital signal processing and impact detection, while a main thread manages logging, includes the web server hosting the data presentation and system configuration, and communicates with the onboard system with an MQTT client. Lock-free inter-thread communication, based on atomics and a ring buffer, ensure reliable operation, proven with up to six simultaneous acquisition nodes without UART buffer overruns.
A key contribution of this work is the design of a processing chain that downsamples the incoming stream after anti-aliasing FIR filtering and applies discretized IIR versions of the ISO Wm and Wf frequency-weighting filters. This approach allows continous computation of whole-body vibration and motion-sickness running RMS values while avoiding the limitations of Fast Fourier Transform-based analysis. These objective metrics are mapped onto a dimensionless 0-to-1 Comfort Index, expressing qualitative, subjective comfort perception. The coexistence of filters with such different bands, under finite arithmetic, is eased by a frequency-warping-free discretization and the trade-off on the downsampled frequency. The processing chain was validated against the reference model using firmware-generated frequency sweeps with an acquisition node emulator.
A multi-client embedded web server provides real-time configuration and visualization via a remotely accessible HTML/CSS/JS-based interface. The processing required only for the visualization, namely the FFT, is offloaded directly to the client, for better scalability. An efficient hybrid communication protocol combines initial HTTP requests/responses to serve static files, with continuous JSON-RPC over WebSocket communication for client-driven control and server-driven telemetry.
Integration with the vessel's onboard system is achieved through MQTT and Sparkplug B protocols, the latter providing a standardization for Industrial IoT. The system was evaluated across remote and onboard deployment environments to verify proper communication and interoperability.
Overall, this work addresses limitations of existing assessment methods by proposing a sensing and processing architecture for continuous, standards-compliant comfort monitoring, with attention to flexibility, modularity, and integration with the vessel's infrastructure. Future work will focus on extending the interaction with the onboard infrastructure, a more compact acquisition node revision, a dedicated printed circuit board for the central node featuring power over ethernet and integrated transceivers/converters, as well as extended field trials to calibrate the Comfort Index and further validate the system performance under real operating conditions.

Il comfort legato alle vibrazioni è un tema di crescente importanza negli yacht di lusso, infatti gli enti di classificazione come American Bureau of Ships, Lloyd's Register, and Registro Italiano Navale definiscono criteri di accettazione basati sull'accelerazione ponderata in frequenza secondo le norme ISO. Le attuali pratiche di valutazione si basano principalmente sul post-processing dei dati acquisiti sperimentalmente o su simulazioni agli elementi finiti. Sebbene entrambi i metodi e gli strumenti esistenti siano efficaci per la validazione del progetto e la certificazione, essi non consentono un monitoraggio continuo e in tempo reale integrato con l'infrastruttura di bordo. Questa tesi affronta tale lacuna presentando la progettazione, l'implementazione e la validazione sperimentale di una rete di sensori distribuita per il monitoraggio delle vibrazioni e la valutazione del comfort in tempo reale, sviluppata in collaborazione con SailADV.
L'argomento abbraccia quindi diverse comunità di ricerca e ingegneristiche: l'abitabilità e la valutazione del comfort a bordo, la caratterizzazione metrologica di accelerometri Micro-Elettro-Meccanici, l'edge ed embedded computing e, infine, la presentazione web-based e l'integrazione Industrial IoT.
Il sistema è costituito da un'architettura cablata a stella in cui più nodi di acquisizione compatti e distribuiti sull'imbarcazione trasmettono misurazioni dell'accelerazione a un unico nodo centrale di elaborazione. Questa soluzione è stata selezionata a seguito dell'analisi delle possibili alternative e di una revisione dello stato dell'arte, essendosi dimostrata una candidata promettente in termini di compromesso tra flessibilità, costi e risorse.
Ogni nodo di acquisizione, progettato preliminarmente in un lavoro precedente, è basato su un microcontrollore che si interfaccia con due Unità di Misura Inerziale distinte per il monitoraggio del comfort e la rilevazione degli impatti. Nel corso di questo lavoro, il design originale è stato semplificato sfruttando la presenza nell'IMU di un doppio canale di acquisizione, che consente di digitalizzare simultaneamente gli stessi campioni analogici con due diverse risoluzioni e fondi scala. I canali risultanti vengono fusi in un'unica word con risoluzione estesa, da trasmettere al nodo centrale per la registrazione e l'analisi degli impatti. Il firmware è stato completamente riscritto sfruttando librerie mantenute dal produttore, preservando al contempo gli algoritmi precedentemente validati.
La risposta in frequenza della IMU è stata misurata sperimentalmente mediante uno shaker elettrodinamico e sweep sinusoidali logaritmici ad ampiezza costante. La risposta, estratta tramite post-processing basato sulla trasformata di Hilbert, è compatibile con il filtro anti-aliasing integrato e mostra una banda piatta fino a circa il doppio del limite superiore della banda di interesse. Ciò valida l'output data rate scelto, condiviso inoltre con la misura di impatti a banda larga.
È stato sviluppato un protocollo a basso overhead con controllo di integrità al di sopra del physical layer RS-422. Quest'ultimo è stato selezionato per la sua semplicità, il throughput e la capacità di trasmissione a distanza sufficienti, la robustezza alle interferenze elettromagnetiche e alla schermatura elettromagnetica delle pareti metalliche.
Il nodo di elaborazione esegue un software multithread in C su un single board computer con una distribuzione Linux. Un thread dedicato per ogni nodo di acquisizione gestisce la raccolta dei dati, il digital signal processing e la rilevazione degli impatti, mentre un thread principale gestisce il salvataggio su file dei dati, include il web server che ospita la presentazione dei dati e la configurazione del sistema ed il client MQTT che comunica con il sistema di bordo. La comunicazione inter-thread lock-free, basata su variabili atomiche e ring buffer, garantisce un funzionamento affidabile, dimostrato con fino a sei nodi di acquisizione simultanei senza overrun del buffer UART.
Un contributo chiave di questo lavoro è la progettazione di una catena di digital signal processing che sottocampiona il flusso in ingresso dopo un filtraggio FIR anti-aliasing e applica versioni IIR discretizzate dei filtri di ponderazione in frequenza ISO Wm e Wf. Questo approccio consente il calcolo continuo dei valori running RMS relativi alle vibrazioni whole-body e alla cinetosi, evitando al contempo le limitazioni dell'analisi basata su Fast Fourier Transform. Queste metriche oggettive vengono mappate in un Indice di Comfort adimensionale da 0 a 1, che esprime la percezione qualitativa e soggettiva del comfort. La coesistenza di filtri con bande così diverse, in aritmetica finita, è facilitata da una discretizzazione priva di frequency warping e dal compromesso sulla frequenza di sottocampionamento. La catena di elaborazione è stata validata rispetto al modello di riferimento utilizzando sweep in frequenza generati tramite il firmware di un emulatore del nodo di acquisizione.
Un web server embedded multi-client fornisce configurazione e visualizzazione in tempo reale tramite un'interfaccia HTML/CSS/JS accessibile da remoto. L'elaborazione necessaria alla sola visualizzazione, ovvero la FFT, è delegata direttamente al client per una migliore scalabilità. Un protocollo di comunicazione ibrido ed efficiente combina l'iniziale request/response HTTP, per servire i file statici, con una comunicazione continua JSON-RPC su WebSocket, per il controllo dal client al server e la telemetria in senso opposto.
L'integrazione con il sistema di bordo dell'imbarcazione è realizzata tramite i protocolli MQTT e Sparkplug B, quest'ultimo contraddistinto da una standardizzazione adeguata all'Industrial IoT. La correttezza della comunicazione e l'interoperabilità sono stati validato sia con il sistema stesso che con broker online.
Nel complesso, questo lavoro affronta le limitazioni dei metodi di valutazione esistenti proponendo un'architettura per il monitoraggio continuo del comfort conforme alle normative, con attenzione alla flessibilità, alla modularità e all'integrazione con l'infrastruttura dell'imbarcazione. I lavori futuri si concentreranno su estendere l'interazione con l'infrastruttura di bordo, una revisione più compatta del nodo di acquisizione, su un circuito stampato dedicato per il nodo centrale dotato di Power over Ethernet e transceiver/convertitori integrati, nonché su prove estese sul campo per calibrare l'Indice di Comfort e approfondire le capacità del sistema in condizioni operative reali.